CN119803650A - 一种压电振动传感器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压电振动传感器及其设计方法，涉及振动传感器领域，包括：具有耐高温特性的连接柱以及压电传感单元，连接柱的两侧对称设置有压电传感单元，压电传感单元包括均具有耐高温特性的压电敏感元件、电极片以及配重块，电极片的两侧均设置有压电敏感元件，一侧压电敏感元件靠近连接柱设置，另一侧压电敏感元件靠近配重块设置，预紧螺丝穿过两侧压电传感单元以及连接柱与预紧螺母连接；本发明中高温下各构件由于热膨胀系数不同产生的预紧力变化减小，从而温漂降低，提高温度稳定性，进而提高可靠性以及检测精确度；本传感器综合性能好，在高温条件下工作能够保证稳定的信号输出，降低了高温环境下材料损坏的风险，利于商业化生产和应用。

Description

一种压电振动传感器及其设计方法

技术领域

本发明涉及振动传感器领域，特别是涉及一种压电振动传感器及其设计方法。

背景技术

近年来，航空航天、核电工业、汽车、化工等高新技术与工业的快速发展，人们对振动测试的要求也随之提高，应用于这些工业的测量设备通常面临极端恶劣的工作环境，例如应用于航空航天发动机测量的耐高温压电振动传感器，这种传感器需要面临发动机工作时的极端高温、高压、油污、冲击等恶劣条件，这对传感器的稳定性、灵敏度、可靠性等性能都提出了较高的要求。

目前申请人已知的压电振动传感器中，由于需要设置绝缘材料，高温下各构件由于热膨胀系数不同产生的预紧力变化较大，温漂升高，温度稳定性较低，可靠性以及检测精确度也随之降低。

因此人们亟需一种耐高温，且温度稳定性好、可靠性高、检测精确度高的压电振动传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种压电振动传感器及其设计方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过对结构的设计，取消绝缘材料，在耐高温的基础上，提高温度稳定性、可靠性以及检测精确度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种压电振动传感器，包括具有耐高温特性的连接柱以及压电传感单元，所述连接柱的两侧对称设置有所述压电传感单元，所述压电传感单元包括均具有耐高温特性的压电敏感元件、电极片以及配重块，所述电极片的两侧均设置有所述压电敏感元件，一侧所述压电敏感元件靠近所述连接柱设置，另一侧所述压电敏感元件靠近所述配重块设置，预紧螺丝穿过两侧所述压电传感单元以及所述连接柱与预紧螺母连接，所述压电传感单元的所述压电敏感元件、电极片以及配重块中部均开设有通孔，所述通孔的内周壁与所述预紧螺丝间隔设置。

优选的，所述压电敏感元件为YCOB压电单晶。

优选的，所述连接柱、所述配重块、所述电极片、所述预紧螺丝以及所述预紧螺母的材质均为高熵镍基高温合金或镍基高温合金。

优选的，所述压电振动传感器还包括基座以及外壳，所述连接柱设置在所述基座上，所述外壳密封扣设在所述基座上，所述连接柱以及所述压电传感单元均设置在所述外壳内。

优选的，所述外壳与所述基座的材质均为高熵镍基高温合金或镍基高温合金。

优选的，所述基座的外周边沿阶梯状设置，所述外壳的底部边沿与所述基座的外周边沿相匹配。

优选的，所述外壳上设置有引出孔，所述电极片与导线连接，所述导线穿过所述引出孔与外部设备连接。

优选的，所述导线的材质为铂、高熵合金、镍基高温合金或镍。

优选的，所述基座底部设置有用于固定所述基座的安装螺纹孔。

本发明还提供一种上述压电振动传感器的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据频率响应范围和灵敏度要求对压电振动传感器各个零部件尺寸进行设计，选择合适的耐高温材料根据设计尺寸对各部件进行加工；

S2、采用提拉法生长YCOB单晶，根据所需切型制备所需尺寸的压电单晶片作为压电敏感元件；

S3、组装压电振动传感器，完成内置电路的定位与预紧；

S4、将压电振动传感器固定到测试平台上进行校准。

本发明相对于现有技术主要取得了以下技术效果：

本传感器不使用绝缘材料，使用构件变少，结构更加简单，高温下各构件由于热膨胀系数不同产生的预紧力变化减小，从而温漂降低，提高温度稳定性，进而提高可靠性以及检测精确度，同时锁紧螺丝以及锁紧螺母的配合，降低了横向灵敏度，提高了传感器的主要性能，使得传感器具有更高的可靠性以及检测精度；本传感器综合性能好，在高温条件下工作能够保证稳定的信号输出，降低了高温环境下材料损坏的风险，利于商业化生产和应用。

本发明其他方案相对于现有技术取得了以下技术效果：

高熵合金具有极高的使用温度(1000℃以上)，且强度高，耐腐蚀、抗氧化性能好，适合极端环境下的应用，而敏感元件使用YCOB压电单晶，在极高温度下仍具有相当高的电阻率并可以输出稳定的电信号，有利于高温应用，两者作为核心材料可以将该传感器的最大使用温度提升至850℃以上，满足极端条件的测试需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中压电振动传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例中压电振动传感器的俯视图；

图3为本发明实施例中压电振动传感器的仰视图；

图4为本发明实施例中压电振动传感器的剖视图；

图5为本发明实施例中压电振动传感器隐藏外壳后的结构示意图；

图6为本发明实施例中压电振动传感器隐藏外壳后的正视图；

图7为本发明实施例中压电振动传感器隐藏外壳后的左视图；

图8为本发明实施例中压电振动传感器隐藏外壳后的俯视图；

其中，1、基座；2、外壳；3、引出孔；4、连接柱；5、压电敏感元件；6、电极片；7、配重块；8、预紧螺丝；9、预紧螺母；10、安装螺纹孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种压电振动传感器及其设计方法，以解决现有技术存在的问题，通过对结构的设计，取消绝缘材料，在耐高温的基础上，提高温度稳定性、可靠性以及精确度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考如图1～图8所示，提供一种压电振动传感器，包括具有耐高温特性的连接柱4以及压电传感单元，连接柱4的两侧对称设置有压电传感单元，压电传感单元包括均具有耐高温特性的压电敏感元件5、电极片6以及配重块7，电极片6的两侧均设置有压电敏感元件5，一侧压电敏感元件5靠近连接柱4设置，另一侧压电敏感元件5靠近配重块7设置，预紧螺丝8穿过两侧压电传感单元以及连接柱4与预紧螺母9连接，通过拧紧锁紧螺母，将两侧的压电传感单元定位在连接柱4上，连接柱4与配重块7非导通设置，本传感器不使用绝缘材料，使用构件变少，结构更加简单，高温下各构件由于热膨胀系数不同产生的预紧力变化减小，从而温漂降低，提高温度稳定性，进而提高可靠性以及检测精确度，同时锁紧螺丝以及锁紧螺母的配合，降低了横向灵敏度，提高了传感器的主要性能，使得传感器具有更高的可靠性以及检测精度，同时确保其振动过程中良好的受力条件，降低脆性断裂的风险；本传感器综合性能好，在高温条件下工作能够保证稳定的信号输出，降低了高温环境下材料损坏的风险，利于商业化生产和应用；另外在实际工作时两侧配重块7同时作用，同时能够产生更高的信号输出，进而使得传感器获得更高的灵敏度。

本实施例中连接柱4与配重块7非导通设置的具体结构为：压电传感单元的压电敏感元件5、电极片6以及配重块7中部均开设有通孔，通孔的内周壁与预紧螺丝8间隔设置，通孔可为圆形、方形或其他形状，旨在通孔内周壁不与预紧螺丝8接触即可。

压电振动传感器还包括基座1以及外壳2，连接柱4设置在基座1上，外壳2密封扣设在基座1上，密封的方式为焊接，连接柱4以及压电传感单元均设置在外壳2内，基座1和外壳2实现对内部器件的保护作用。

为了提高保护效果，基座1以及外壳2形成的空间内可填充惰性气体，具体填充方法为：设计可以向外壳2内腔填充惰性气体的缝隙，该缝隙可以单独设置在外壳2上或基座1上，也可以直接利用外壳2与基座1配合时产生的缝隙，利用该缝隙完成惰性气体填充后，再利用激光焊接封闭该缝隙即可。

本申请中基座1的外周边沿阶梯状设置，外壳2的底部边沿与基座1的外周边沿相匹配，阶梯状的设置不仅可以减少整体传感器的重量，也可以提高基座1与外壳2配合后的稳定性。

连接柱4也可设计为阶梯状结构，进一步减少整体重量。

外壳2上设置有引出孔3，电极片6与导线连接，导线穿过引出孔3与外部设备连接，引出孔3处需要设置相应的密封，防止内部惰性气体泄露。

为了便于安装本传感器，本实施例中基座1底部设置有用于固定基座1的安装螺纹孔10，在实际使用时，直接将基座1通过安装螺纹孔10与待测振动源上的螺杆螺纹连接即可；当然在其他实施例中，也可在基座1底部设置螺杆，旋拧至待测振动源的螺纹孔内，或设置其他可以与待测振动源相配合的连接结构。

连接柱4与基座1可为一体设置，提高结构强度。

本实施例中压电敏感元件5为YCOB压电单晶，其具有极高的相变温度，以及相当高的高温电阻率，具有良好的高温性能与稳定性，在其他实施例中，压电敏感单元5也可选用其他掺杂YCOB单晶。

本实施例中配重块7为高熵镍基高温合金或镍基高温合金制成，具有较高的密度、弹性模量和抗蠕变特性，能够在高温环境中保持较高的刚度和温度稳定性，为压电单晶片的剪切变形提供惯性力，配重块7的质量与传感器的灵敏度密切相关，为了保证较高的灵敏度一般需要高质量、高比重的配重块7，在满足要求的谐振频率范围的条件下，大质量、小体积的配重块7具有更明显的优势。

本实施例中使用的电极片6由高熵镍基高温合金或镍基高温合金精加工制成，在高温下稳定维持良好的导电能力，并保证引线对传感器有较小的干扰。

导线由铂、高熵合金、镍基高温合金或镍等制成。

本实施例中使用的预紧螺丝8和预紧螺母9由高熵镍基高温合金或镍基高温合金精加工制成，具有较高的强度，满足预紧力的施加要求，并大大降低螺丝脆性断裂的风险。

本实施例中使用的基座1与外壳2由高熵镍基高温合金或镍基高温合金精加工制成，具有优异的高温抗氧化与耐腐蚀性能，能够起到保护传感器内部元件的作用。

各个部件由的材质具有极高的使用温度(1000℃以上)，且强度高，耐腐蚀、抗氧化性能好，适合极端环境下的应用，而压电敏感元件5使用YCOB压电单晶，在极高温度下仍具有相当高的电阻率并可以输出稳定的电信号，有利于高温应用，两者作为核心材料可以将该传感器的最大使用温度提升至850℃以上，满足极端条件的测试需求。

设置YCOB压电单晶具有较高的光滑度，以确保元件之间的接触良好，同时降低破碎的概率。

压电振动传感器的测试基本原理基于压电敏感元件5的压电效应，将传感器通过安装螺纹孔10刚性连接到待测振动源上，当振动源振动时将产生与其振动相关的加速度，此时传感器的基座1也将产生相同加速度的振动，由于惯性的存在，传感器的配重块7的振动加速度将与基座1大小相同而方向相反，此时压电敏感元件5与配重块7将产生同样加速度的振动，并将受到来自配重块7施加的剪切惯性应力，由于压电材料存在的压电效应，压电敏感元件5进而在材料两个表面产生与惯性力相关的正负电荷，连接电极片6的导线从外壳2上设置的引出口引出，将导线连接校准设备实现加速度信号与电信号之间的转换。

在另一实施例中，本发明还提供一种上述压电振动传感器的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据频率响应范围和灵敏度要求对压电振动传感器各个零部件尺寸进行设计，选择合适的耐高温材料根据设计尺寸对各部件进行加工，保证加工误差小于0.02mm；

S2、采用提拉法生长YCOB单晶，根据所需切型制备所需尺寸的压电单晶片作为压电敏感元件5；

S3、使用定位与预紧工装组装压电振动传感器的各个部件，并按照理论计算结果通过预紧螺丝8设定好预紧力矩，完成内置电路的定位与预紧；

S4、将压电振动传感器固定到测试平台上进行校准。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种压电振动传感器，其特征在于，包括具有耐高温特性的连接柱以及压电传感单元，所述连接柱的两侧对称设置有所述压电传感单元，所述压电传感单元包括均具有耐高温特性的压电敏感元件、电极片以及配重块，所述电极片的两侧均设置有所述压电敏感元件，一侧所述压电敏感元件靠近所述连接柱设置，另一侧所述压电敏感元件靠近所述配重块设置，预紧螺丝穿过两侧所述压电传感单元以及所述连接柱与预紧螺母连接，所述压电传感单元的所述压电敏感元件、电极片以及配重块中部均开设有通孔，所述通孔的内周壁与所述预紧螺丝间隔设置。

2.根据权利要求1所述的压电振动传感器，其特征在于，所述压电敏感元件为YCOB压电单晶。

3.根据权利要求1所述的压电振动传感器，其特征在于，所述连接柱、所述配重块、所述电极片、所述预紧螺丝以及所述预紧螺母的材质均为高熵镍基高温合金或镍基高温合金。

4.根据权利要求1所述的压电振动传感器，其特征在于，所述压电振动传感器还包括基座以及外壳，所述连接柱设置在所述基座上，所述外壳密封扣设在所述基座上，所述连接柱以及所述压电传感单元均设置在所述外壳内。

5.根据权利要求4所述的压电振动传感器，其特征在于，所述外壳与所述基座的材质均为高熵镍基高温合金或镍基高温合金。

6.根据权利要求4所述的压电振动传感器，其特征在于，所述基座的外周边沿阶梯状设置，所述外壳的底部边沿与所述基座的外周边沿相匹配。

7.根据权利要求4所述的压电振动传感器，其特征在于，所述外壳上设置有引出孔，所述电极片与导线连接，所述导线穿过所述引出孔与外部设备连接。

8.根据权利要求7所述的压电振动传感器，其特征在于，所述导线的材质为铂、高熵合金、镍基高温合金或镍。

9.根据权利要求4所述的压电振动传感器，其特征在于，所述基座底部设置有用于固定所述基座的安装螺纹孔。

10.一种压电振动传感器的设计方法，其特征在于，适用于如权利要求1-9任一项所述的压电振动传感器，包括以下步骤：

S1、根据频率响应范围和灵敏度要求对压电振动传感器各个零部件尺寸进行设计，选择合适的耐高温材料根据设计尺寸对各部件进行加工；

S2、采用提拉法生长YCOB单晶，根据所需切型制备所需尺寸的压电单晶片作为压电敏感元件；

S3、组装压电振动传感器，完成内置电路的定位与预紧；

S4、将压电振动传感器固定到测试平台上进行校准。